Tipos de lâmpadas de alta intensidade descarga

Existem três tipos de lâmpadas classificadas como lâmpadas AID: lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão, vapor de sódio a alta pressão e vapor metálico. São assim denominadas, porque operam com altas intensidades de corrente. A produção da luz é feita através de descarga elétrica em tubo contendo gás sob elevada pressão. A alta pressão no interior do tubo de descarga é mantida por uma temperatura de descarga elevada.

Cada um dos três tipos citados apresenta características próprias quanto à eficiência luminosa, comportamento dinâmico, reprodução de cores e tensão de ignição.

2.8.1. Vapor de sódio a alta pressão

O processo de descarga nas lâmpadas de sódio de alta pressão (SAP) é realizado sobre o vapor de sódio. No ponto de máxima eficiência luminosa o campo elétrico das lâmpadas SAP é pequeno quando comparado às outras lâmpadas de descarga. Para aumentar a força do campo elétrico, é acrescentado mercúrio na forma de amalgama de sódio, que quando vaporizado aumenta a pressão interna no tubo de descarga, resultando em uma pressão maior que 10kPa. Os elétrons da descarga ganham energia excitando os átomos de sódio, que se encontra vaporizado, que por sua vez emitem luz amarela.

O sódio é muito reativo, assim para se obter uma pressão adequada é necessária uma temperatura alta. Isso implica em um melhor condicionamento do tubo de descarga. Apesar das condições adversas da descarga, a evolução destas lâmpadas garante hoje uma longa vida útil, de 10 a 20 mil horas.

Na descarga em vapor de sódio cerca de 50% da energia da descarga é convertida em radiação, sendo que deste total 31% fica dentro do espectro visível [18]. Isto torna as lâmpadas SAP extremamente eficientes do ponto de vista energético, atingindo níveis de eficiência luminosa acima de 140 Lm/W.

As lâmpadas SAP necessitam de um gás de ignição, o uso do xenônio resulta em uma tensão de ignição relativamente alta, 1,8 kV a 4kV.

A Figura 2.7 mostra a distribuição no espectro de freqüência da lâmpada SAP, onde se verifica a concentração em torno do ponto com comprimento de onda de 600nm. 300 400 500 600 700 800 Comprimento de onda em nm De nsida de d e en ergia (p.u.) 1,0 0 0,5

Figura 2.7 – Distribuição espectral da radiação eletromagnética emitida por uma lâmpada de vapor de sódio de alta pressão.

A Figura 2.8 apresenta os detalhes construtivos da lâmpada SAP, onde vale ressaltar a composição do tubo de descarga, que é feito de alumínio policristalino, material capaz de resistir ao sódio mesmo sob altas pressões e temperaturas.

2.8.2. Vapor de mercúrio a alta pressão

A luz emitida por estas lâmpadas é proveniente da descarga elétrica em vapor de mercúrio. A energia de ionização do mercúrio é muito maior que a do sódio. Então a temperatura numa descarga em mercúrio será maior do que em uma descarga em sódio, já que a densidade de elétrons é aproximadamente a mesma nos dois casos.

O tubo de descarga é de quartzo, material capaz de suportar as elevadas temperaturas e pressões que a descarga em mercúrio requer. O aquecimento do tubo e a conseqüente vaporização do mercúrio eleva a pressão interna do tubo a valores entre 200kPa e 400kPa [19].

O bulbo externo da lâmpada de mercúrio é fabricado em borosilicato, e suas paredes internas são revestidas por material fluorescente (fósforo) que converte a radiação eletromagnética produzida fora do espectro visível (ultravioleta) em radiação do espectro visível. Isto provoca uma melhora no índice de reprodução de cores da lâmpada ao custo de uma redução de sua eficácia luminosa, atingindo valores inferiores aos das lâmpadas SAP, cerca de 50 Lm/W. A Figura 2.9 mostra a distribuição da radiação emitida no espectro de freqüências. As componentes com mais de 600nm são obtidos através do material fluorescente no bulbo.

300 400 500 600 700 800 Comprimento de onda em nm Densidade d e energia (p.u.) 1,0 0 0,5

Figura 2.9 - Distribuição espectral da radiação eletromagnética emitida por uma lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão.

O espaço interno entre o tubo de descarga e o bulbo externo é preenchido por um gás inerte, no caso o nitrogênio, que tem as funções de reduzir a oxidação das partes metálicas; filtrar radiação ultravioleta nociva (UVB e UVC); aumentar isolação

elétrica; reduzir a condutividade térmica para manter a temperatura do tubo independente das variações do ambiente externo ao bulbo.

Para a ignição, as lâmpadas de vapor de mercúrio utilizam o gás argônio, o qual resulta em uma tensão de ignição relativamente baixa, em comparação com as SAP.

O tubo de descarga assim também como toda a lâmpada pode ser observado na Figura 2.10.

Figura 2.10 - Aspectos físicos de uma lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão.

2.8.3. Lâmpadas de multi-vapores metálicos

Essencialmente, a lâmpada de vapores metálicos é similar à lâmpada de mercúrio de alta pressão. Entretanto, o tubo de descarga recebe a adição de alguns metais halogênios, além do mercúrio e do gás de ignição, como forma de melhorar sua reprodução de cores. Quando os diferentes vapores metálicos se aproximam do centro da descarga, a temperatura faz com haja a dissociação, dando lugar ao

halógeno e ao metal. Os átomos metálicos emitem radiação em sua correspondente parte do espectro.

Entre os principais halogenetos utilizados para a melhora da reprodução de cores estão: sódio, com radiação de comprimento de onda próximo de 589nm; tálio, com comprimento de onda de 535nm; índio, radiação de 435nm; tório e disprósio que produzem radiações espalhadas pelo espectro visível. Também pode ser acrescentado sódio, com o propósito de aumentar a eficácia luminosa. Isto leva a uma melhora em relação à lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão, com valores entre 70 e 100 Lm/W. Na Figura 2.11 é mostrado a distribuição espectral da lâmpada de vapor metálico, onde pode-se observar a uniformidade maior do que nas lâmpadas de vapor de mercúrio e vapor de sódio.

300

400

500

600

700

800

nm

Figura 2.11 - Distribuição espectral da radiação eletromagnética emitida por uma lâmpada de vapor metálico de alta pressão.

A ótima combinação entre reprodução de cores e eficácia luminosa, garante a esta lâmpada a preferência por parte dos projetistas para iluminação de interiores em ambientes comerciais e industriais. Uma outra vantagem, é que suas versões de baixa potência possuem tamanho reduzido, incomparavelmente menor que as lâmpadas de mercúrio de baixa pressão (fluorescentes).

A maioria das lâmpadas de vapores metálicos necessitam de uma tensão de ignição superior às das lâmpadas de vapor de mercúrio para a mesma potência.

A Figura 2.12 mostra os detalhes construtivos da lâmpada de vapor metálico, onde cabe destacar o reduzido tamanho do tubo de descarga

Figura 2.12 - Aspectos físicos de uma lâmpada de vapor metálico a alta pressão